JPH02282227A - 非線形干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、光スィッチや光論理ゲート等に使用される
非線形干渉計に関するものである。

［従来の技術］ 高ビツト速度のシステム用の全て光信号処理で行われる
装置の利点は、光周波数が１０　”Ｈｚのオーダーある
ために例えば非常に高い速度でスイッチングや論理動作
を行うことができるのでその認識が高まっている。これ
を利用するためには光入力による決定に応じる装置を構
成することが必要である。これは本質的に入力光信号の
異なった強度に対して異なった応答を行う装置、すなわ
ち光学的非線形装置を意味している。

そのような非線形装置を得る１方法は干渉計装置を使用
することであり、その干渉計装置は、光学的に非線形の
媒体に沿って光結合器に伝送される異なった強度の２つ
の部分に入力信号を分割する光分割器を備えている。そ
のような装置の１例は本出願人のＥ　Ｐ　　０２６５２
３ａＡ　１号特許明細書に記載されており、それは光結
合器のポートの第１の対に結合された非線形屈折率を有
する光ファイバから形成された先導波体を具備している
。この形態では、光結合器は共通の非線形媒体を通る異
なった強度の２つの反対方向に伝播する信号部分に入力
光信号を分割する分割器および結合器の両方として動作
する。

結合器からの出力は、分割器から結合器へ伝播した後の
２つの部分の最終的な相対位相シフトに依存する。特に
前記明細書に詳細に説明されているように、結合器のポ
ートからの出力は入力信号の強度の振動的な、周期的な
関数である。出力信号の変動する最大および最小強度の
差、すなわちコントラスト比は分割器の非対称な関数で
ある。

同じ振動特性は他の干渉計、例えはマツハ・ツエンダ−
干渉計で実現することかできる。非線形伝送媒体を含む
そのような干渉計を以下非線形干渉計と呼ぶ。

［発明の解決すべき課題］ そのような既知の非線形干渉計はスイッチングおよび論
理用に使用されることができるが、それらは出力が所定
の論理レベルであることを決定する予め定められたしき
い値レベルに出力信号強度が近く維持されることを保証
するために予め定められた範囲内に入力信号強度か制御
されなければならないという欠点がある。もしも入力信
号強度が過大に増加すれば、装置の出力は他方の論理レ
ベルに反転する。

この発明の目的は、装置への入力信号の強度の制御が従
来の装置はど必要でない光学装置を提供することである
。

［課題解決のための手段］ したがって入力光信号の部分間の強度に依存する相対位
相シフトを生成するための光学的に非線形の伝送媒体を
含む非線形干渉計は、出力強度が入力信号の強度の単一
期間関数であるようなしきい値を有する強度依存性散乱
特性を伝送媒体が有することを特徴きする。

伝送媒体の強度依存性光散乱特性は、ある距離伝送媒体
に沿って伝播した後に２つの部分を実質的に同じ強度に
１；！Ｉ限させる。これは各入力信号強度に対応するい
くつかの点における振動的出力強度を平坦にする効果を
有する。結果的に干渉計からの出力強度は少なくとも入
力信号強度の可成の範囲に対して入力信号強度の実質的
に一定な関数である。この所望の出力強度レベルはそれ
故この点における入力強度に対する感度を低く；する。

特に伝送媒体は入力強度に対するＳ字状特性、すなわぢ
ステップ状特性の出力強度を生成する強度で散乱を示す
ように選択されることができる。

添付図面を参照にして以下この発明の実施例およびその
動作方法を説明する。

［実施例コ 第１図に示された従来技術の光学装置は伝送媒体を構成
するループ２に形成された単一シリカ光ファイバーによ
り構成された干渉計である。光）アイμ１の部分は第１
の対のポー１−４．５と第２の対のポート６．７とを有
する交差結合器３を形成するように互いに近接して位置
している。結合器３はポート６．７で受信した光信号の
部分をあらかしめ定められた結合比αにしたがってポー
ト４．５のそれぞれに結合するように構成されている。

同様にポート４，５のいずれかで受信された結合器３に
到着した光信号は同じ結合比αにょってポート６．７に
結合される。

したがって正常の（線形）環境下では、第１図に示され
た装置はミラーとして動作する。すなイっちもしも結合
比が５０：５０であればポート６における入力Ｅ１によ
る光は全てポート６に戻される。

別の値の結合比は２つのポート６．７間の出力パワーの
適当な分割を与える。慣例によりポート６゜７に出る光
はそれぞれ反射および透過されたものと呼ばれる。

結合器３は単一の入力Ｅ、を２つの反対の方向に伝播す
るフィールドに分割させ、それは結合器３に一致して戻
り結合される。光路長は両伝播フイールドに対して正確
に同じであり、それはそれらが同一の経路を反対方向に
伝播するからである。

線形の強度において動作するとき、フィールドは同じで
、すなわちそれらがループを回って進行する方向には無
関係に出る。これは以下説明する非線形の場合とは異っ
ている。何故なら非線形性は２つの経路に対する同一の
伝播効果を破るからである。

先導波体のループ２の少なくとも一部が次の式で与えら
れるような屈折率ｎを有する非線形材料から形成されて
いる場合について考える。

ｎ−ｎｏ＋ｎ２　　ｌ　Ｅ　１２ ここでｎ。は線形屈折率、ｎ２はカー（Ｋｅｒｒ）係数
、ＩＥＩ２は送信信号の強度である。

この状態で異なった強度の信号が先導波体を反対方向に
回るように供給されたとき、それは異なった屈折率の影
響を受ける。以下説明するように、この結果信号は異な
った位相シフトを生じ、そのため信号が結合器に戻った
ときそれらは強度に依存する相対位相シフトを有する。

結合比α、および、または例えば光導波体の長さを変化
させることによって、入力信号の特定の動作強度に対し
て戻った信号間の位相シフトを変化することか可能であ
る。相対位相シフトの強度依存性は出力が入力信号の強
度の振動関数である装置を生じる。

αキロ。５に対して、ループ光フアイバ中を反対方向に
伝播する信号は異なった強度依存性位相変化を受け、透
過性Ｔは次の式で与えられる。

Ｔ　”’　Ｐ　ｌ／　Ｐ −１−２α（１−α）［１＋ｃｏｓ（１−２α）φ］こ
こでφは次の式で与えられる非線形位相シフトである。

φ−（２π／λ）ｎ２１　　（Ｐ　＋　／Ａｄｚ　）ま
たＰ、とＰ、はそれぞれ送信および入力パワーであり、
ｌは光ファイバのループ長であり、λは波長であり、ｎ
２は光力−係数であり、Ａ　ａ　ｔ　＋は実効モード面
積である。

透過性は次の式にしたがってＰ、が増加するときには常
に低いパワー値、すなわちｌ−４α（ｌ−αと１との間
で非線形スイッチング特性を示す。

λａＡ、ｘ　／［２（１２α）　ｎ２　Ｌ］シリカベー
スの光ファイバでは、 ｎ　２−３．２　Ｘ　１０−”　ｃｍ２／　Ｗ　ｍまた
λ−１．０６μｍとし、−刀先ファイバの面積−１００
μｍ２とすると、 Ｅ１２Ｌ−πＸ５　ＸＩＯ２／（Ｌ−２α）α−０，４
の例ではＬ−１ｍに対して、Ｅ１２−８ｋＷを必要とす
る。もしもα−０，１であれば必要なビークパワーは１
．９ｋＷに低下するが、スイッチングコントラストは第
２図に示すように対応して減少する。第２図は２つの異
なった結合比に対する入力強度と出力強度の変化を示す
（正規化後）に示す 第１図のループ装置は２つの伝播路を同一にすることを
自動的に保証する利点を有して入力が、例えばマツハ・
ツエンダ−形態のような入力信号の強度の正弦波関数で
ある光出力を得る他の干渉計装置を使用することも知ら
れている。光フアイバ以外の伝送媒体も使用できる。例
えば光ファイバ以外に基体上に形成された平坦な導波体
またはバルクの光干渉計の光路に含まれた材料等も伝送
媒体として使用できる。

本発明は、伝送が強度依存性光散乱性を有するならば、
それは入力パワーに対してリミタとして作用し、第１近
似に対して対応する入力強度しきい値の上の入力信号強
度により２つの入力信号部分の異なった位相シフトにお
いてさらに変化が生じるのを阻止することを実現したも
のである。特にに散乱のしきい値が入力強度の関数とし
てＳ字形出力強度特性を生成し高い入力強度スイッチ状
態における入力強度の小さな変化に対して出力がさらに
安定になる光学装置を提供するように材料が選択される
ことができる。

シリカ光ファイバの場合には、光ファイバのドープを変
化させることによってしきい値を減少させることができ
るので、自然のラーマン散乱が光散乱機構として使用さ
れることができる。特に、ＧｅＯ２ドープはラーマン利
得係数を増加する。

Ｇ　ｅ　Ｏ２ドープ光ファイバに対するラーマン利得］
　０ 係数ｇは次の式に示すように純粋なＳｉＯ２光ファイバ
のそれと関係している。

ｇ”’ｇｏ　　（１＋８０Δ） ここで、Δ＝１−　（ｎｃ、／ｎｃ） またｇ。は純粋なＳｉＯ。ファイバのラーマン利得係数
であり、約７．４　ＸＩＯ”　ｍ／Ｗの値を有する。

ラーマン利得しきい値を決定する他の手段もこの発明の
ために使用できる。例えば偏光維持ファイバは同じ材料
の偏光維持でないファイバよりも低いしきい値を有する
。

第３図を参照すると、この発明の干渉計３１を構成する
光ファイバループミラーは、干渉計３１の非線形特性を
検査するための装置３３に結合されている。

干渉計３１は本質的にはパワー結合比α：（１−α）の
光フアイバ方向性結合器３５であり、その出力ポートは
０，０２のΔｎと１．１２５μｍの高次モードカットオ
フを有するブリティッシュテレコム社の高ゲルマニウム
酸化物含有シリカ光ファイハ３７にスプライス結合され
ている。光ファイバは１．３２μｍで３．２　Ｘ　１０
−３ｍ−’の偏光保持パラメータｈにより弱い偏光に保
持されている。ループミラー干渉計３１（ループ長２５
ｍ）は分割比３８：８２を有する方向側結合器３５の長
さ２４ｍおよび１ｍの出力アームをスプライス結合する
ことにより製造された。ミラーの入力ポート３９は第２
の方向側結合器のポート４１にスプライス接合され、そ
れは５２：４８の分割比を有する。この形態で結合器４
３の３個の他の出力ポート４５．４７．４９からの出力
は入力パワーを監視するために使用されることができ、
干渉計３１の反射および透過パワーの尺度を与える。

装置の非線形特性は１．３２μｍの波長で動作するＮｄ
：ＹＡＧレーザ６１のＱスイッチパルス（８５０ｎｓＦ
ＷＨＭおよび５００　ｔｌ　ｚの反復速度）およびＣＭ
（連続波）モードロックパルス（１８０ｐｓＦＷＩ（Ｍ
および７１３ＭＨ７の反復速度）の両者を使用して検査
された。この装置形態においてスプライスおよび結合器
はデポーラライザ素子として作用し、それぞれ干渉計３
１の入力およびループ中で機械的光ファイバ偏光制御装
置５１および５３を使用して偏光を制御することが必要
である。しかしながら偏光制御装置の所定の設定に対し
ては、ループミラー干渉計３１の出力は実験的測定期間
（数時間）にわたってほぼ安定であった。干渉計３１の
非線形特性の検査のために、偏光制御装置５１および５
３は低いパワーで最小の伝送を与えるようにセットされ
た。線形透過性は測定されたαによって与えられた値で
ある０、０６であることが測定された。装置の全体の挿
入損失は約３　ｄＢと測定された。入力信号と、反射さ
れた信号と、透過された信号とは狭帯域フィルタ（ＮＢ
Ｆ）５５、コリメートレンズ５９およびレンズ５９によ
り出力ポートに結合された高速１　ｎＧａＡｓフォトダ
イオード５７を使用して監視された。

３つの信号全ては一時的波形再生モードで動作する３チ
ヤンネルＥＧ＆Ｇ　４２２０デジタルボツクスカーで同
時に表示された。この測定方法はラーマンしきい値の上
のパワーレベルでループミラー干渉計３１の特性の検査
を可能にするパルス間の振幅変Ｂ 動とＮＢＦの使用により曖昧性を克服している。

ピーク入力、パルスの反射されたパワーＰ１、および透
過されたパワーＰ１が測定された。これらはピーク入力
パワーの関数としてピーク反射および透過Ｐｒｌ　／　
（Ｐ、＋ＰＩ　）をプロットするために使用され、それ
らプロットは第４図に示されている。曲線は反射性の減
少に対応する透過性の非線形の増加および干渉計３１の
出力の全体的Ｓ字状特性を明瞭に示している。高い入力
ピークパワーでストークス放射が自然のラーマン散乱に
より観察された。これは１．３２μｍにおける利用でき
るポンプパワーを制限する効果を有し、したがって装置
の特性は飽和を示す。０゜ＩＷから３３Ｗの入力パワー
の変化により０．０６乃至０．６の範囲では明らかに透
過性に大きい変化がある。交差点は２２Ｗのピーク入力
パワーにおいて生じる。もつと長いループ（＞１００ｍ
）の動作によりパワー中の減少が得られるが、第３図の
特定の装置で観察された非常に良好な安定性は徐々に低
下することが予想される。

第５図を参照すると、入力（ＰＷＨＭ＝　８５０ｎｓ　
）、反射されたパルス（ＰＷＩＩＭ　−９３０ｎｓ　）
　、および透過されたパルス（ＦＷＨＭ　−５２５ｎｓ
　）が１２．５Ｗのピーク入力パワーに対して示されて
いる。高いパワーレベルにおいて透過されたパルスは狭
くボされ、方反射されたパルスは広く示されていること
が認められる。これは完全なパルススイッチングを観察
しているのではなく、パルススイッチのウィングの部分
よりも高いパワーの部分を観察していることを示唆して
いる。このため第４図は方形パルス（パルス期間〉〉立
上りおよび立下り時間）に対する装置の特性を示してい
る。Ｑスイッチパルスによる上記の実験は疑似ＣＷ状態
においてのものである。そこではパルス長（１７５ｍ）
はループ長に比較して長い。この場合には非線形位相シ
フトは交差位相変調により誘起される。ＣＭモモ−ロッ
クパルス（ＰＷ）ＩＭ〜１８０ｐｓ　）による実験は同
様の非線形特性を示す。第６図では反射されたパルス（
ＰＷＩＩＭ　−１９５ｐｓ　）および透過されたパルス
（ＦＷＩＩＭ〜Ｌ５０ｐｓ　）が１５．８Ｗのピークパ
ワーに対して示されている。この場合にはパルス長（〜
０．０４ｍ　）はループ長よりもずっと短く、非線形位
相シフトは自己位相変調によって誘起される。上記の実
験はスイッチングが方形でないパルスに対して不完全で
あることを示している。これは極度に高いビット速度の
システムに対して示唆を与える。それにおいては方形光
パルス（普通でない）を生成するか、完全なスイッチン
グを可能にする“ソリトロン２状パルスを使用すること
が必要である。ここで使用された２５ｍのループに対し
ては良好なソリトロンスイッチングが０．５ｐｓのパル
ス継続時間に対して期待される。そのようなパルスは例
えば“ソリトロン″　レーザから得られる。ラーマン効
果によるポンプ枯渇による方形パルスの不完全なスイッ
チングはゲルマニウム酸化物の含有量の少ないシリカフ
ァイバを使用することによって避けることができる。例
えばここで示した場合ではラーマン利得係数は純粋なシ
リカファイバに対する３Ｘである。

この発明は上述の特別の実施例以外の非線形干渉計の携
帯に対しても適用可能であり、またラーマン散乱以外の
強度異存性光散乱機構、例えばブリローイン散乱を所望
の光学的限定を行うために使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は既知のファイバループ干渉計の概略図である。 第２図は第１図に示す装置の２つの異なった結合比に対
する入力強度および出力強度間の変化を示すグラフであ
る。 第３図は第１図の装置の非線形特性を測定するために使
用される実験装置の概略図である。 第４図はピーク入力パワーの関数として第１図の装置の
特性を示すグラフである。 第５図（ａ）乃至（Ｃ）はＱスイッチレーザからの１２
．５Ｗのピーク入力パワーに対応する入力、反射、およ
び透過パルスを示すグラフである。 第６図はモードロックレーザの１５．ｌｌＷのピーク入
力パルスにより発生された反射および透過パルスを示す
グラフである。 ］７ １・・・光ファイバ、２・・・ループ、３・・・光結合
器、４．５，８．７・・・入力ポート、３１・・・干渉
計、３３・・・検査装置、５１．５３・・・光フアイバ
偏光制御装置、６１・・・レーザ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ］　８

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力光信号の部分間の強度に依存した相対的位相
   シフトを生成する光学的非線形伝送媒体を具備する非線
   形干渉計において、 伝送媒体は、出力強度が入力信号の強度の単一期間関数
   であるようなしきい値を有する強度依存性の光学的散乱
   特性を有していることを特徴とする非線形干渉計。
2. （２）光ファイバループ干渉計を具備している特許請求
   の範囲第１項記載の干渉計。
3. （３）強度依存性の光学的散乱がラーマン散乱である特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の干渉計。
4. （４）伝送媒体はゲルマニウム酸化物をドープしたシリ
   カ光ファイバである特許請求の範囲第３項記載の干渉計
   。
5. （５）伝送媒体は偏光維持光ファイバを含む特許請求の
   範囲第１項乃至第４項記載の干渉計。
6. （６）出力強度は入力信号の強度のＳ字形関数である特
   許請求の範囲第１項乃至第５項記載の干渉計。